Improving the Design of Nozzles Used in Zamak High-Pressure Die-Casting Process

수명 연장과 생산성 향상: Zamak 다이캐스팅 노즐 설계 혁신

이 기술 요약은 [V. F. C. Sousa 외 저자]가 [FME Transactions]에 발표한 학술 논문 "[Improving the Design of Nozzles Used in Zamak High-Pressure Die-Casting Process]"([2021])를 기반으로 합니다. CASTMAN이 기술 전문가를 위해 분석하고 요약했습니다.

키워드

• 주요 키워드: Zamak 다이캐스팅 노즐 설계
• 보조 키워드: 고압 다이캐스팅, 사출 노즐 마모, 공정 최적화, 자동차 부품, Bowden 케이블

Executive Summary

• 과제: 자동차 산업에서 Zamak 고압 다이캐스팅 공정에 사용되는 사출 노즐의 과도한 마모와 조기 파손 문제.
• 방법: 반복적인 설계 개선과 분석을 통해 최적의 해결책을 도출하는 실행 연구(Action-Research) 방법론 적용.
• 핵심 돌파구: 내부 채널의 단면 변화를 완만하게 하고, 외부 형상에 필렛을 추가하며, 열처리 공정을 최적화한 새로운 노즐 설계를 통해 마모를 획기적으로 줄이고 가열 효율을 개선.
• 핵심: 사출 노즐의 전략적인 설계 변경은 공구 수명을 극적으로 연장하고, 공정 안전성을 개선하며, 전반적인 산업 경쟁력을 강화할 수 있음.

과제: 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한 이유

자동차 산업의 경쟁은 그 어느 때보다 치열하며, 모든 공정에서 폐기물을 제거하고 효율성을 극대화하는 것이 필수적입니다. 특히 Bowden 케이블과 같은 저비용 고부가가치 부품의 생산에 널리 사용되는 Zamak 고압 다이캐스팅 공정은 높은 온도와 압력으로 인해 부품 마모가 심각한 문제입니다. 기존 사출 노즐은 잦은 마모와 파손으로 인해 공구 수명이 짧았고, 이는 잦은 교체 비용과 생산 중단으로 이어졌습니다. 또한, 가스 가열 방식에서 전기 저항 가열 방식으로 전환되면서 노즐의 수명과 안전성에 대한 새로운 문제가 발생했습니다. 이러한 문제들은 생산 비용을 증가시키고 공정의 신뢰성을 저하시키는 직접적인 원인이 되었으며, 이를 해결하기 위한 혁신적인 설계 개선이 시급한 상황이었습니다.

접근 방식: 방법론 분석

본 연구는 산업 현장의 실제 문제를 해결하기 위해 '실행 연구(Action-Research)' 방법론을 채택했습니다. 이 접근법은 이론에만 의존하는 대신, '실행을 통한 학습' 원칙에 따라 여러 차례의 반복을 통해 점진적으로 개선점을 찾아 나가는 방식입니다.

연구 과정은 다음과 같은 5단계로 구성되었습니다(Figure 1). 1. 진단(Diagnosis): 기존 노즐의 마모 상태 및 파손 원인 분석. 2. 실행 계획(Action Planning): 분석 결과를 바탕으로 설계 개선안 및 재료, 열처리 방식 변경 계획 수립. 3. 실행(Implementation): 새로운 설계의 노즐을 제작하여 실제 공정에 적용. 4. 평가(Evaluation): 개선된 노즐의 성능 및 마모 상태 분석. 5. 모니터링/결과(Monitoring/Outcomes): 학습된 교훈을 정리하고, 결과가 만족스럽지 않을 경우 새로운 개선 사이클 시작.

분석을 위해 와이어 방전 가공(WEDM)을 사용하여 마모된 노즐을 절단하고 내부 채널을 관찰했으며, 경도 측정을 통해 재료의 변화를 확인했습니다. 공정은 480-680°C의 온도와 3-4 bar의 압력 조건에서 시간당 400-600회의 사출 속도로 진행되었습니다(Table 2).

돌파구: 주요 발견 및 데이터

발견 1: 1차 설계를 통한 마모 수명 대폭 개선

초기 진단 결과, 기존 노즐은 내부 채널의 직경이 5mm에서 2mm로 급격하게 변하는 지점에서 심각한 마모가 발생했으며(Figure 3), 외부 형상의 급격한 단면 변화는 응력 집중을 유발하여 파손의 원인이 되었습니다(Figure 6). 11일에서 17일 사용 후 노즐 내부는 심하게 마모된 상태였습니다(Figure 4, Figure 5).

1차 개선 설계에서는 다음과 같은 변경이 이루어졌습니다. - 내부 채널 개선: 직경 변화를 3mm에서 1.80mm로 완만하게 변경하여 용탕의 흐름을 개선하고 마모를 줄였습니다(Figure 7). - 외부 형상 개선: 응력 집중이 발생하던 부분에 필렛을 추가하여 파손 가능성을 낮췄습니다. - 열처리 변경: 질화 처리(nitriding)를 통해 표면 경도를 높였습니다.

그 결과, 1차 개선 노즐은 약 50일 이상 사용 후에도 마모가 기존 노즐에 비해 현저히 적게 발생하여 공구 수명이 크게 향상되었습니다(Figure 8, Figure 9).

발견 2: 2차 설계를 통한 가열 효율 및 공정 안정성 최적화

1차 개선에도 불구하고, 노즐의 콜드 존(cold zone)에서 재료 역류 문제와 느리고 불균일한 가열 문제가 여전히 남아있었습니다. 이를 해결하기 위해 2차 개선 설계가 진행되었습니다.

• 초크 포인트 위치 변경: 재료 역류를 막기 위해 내부 채널의 단면이 좁아지는 지점(초크 포인트)을 핫 존(hot zone)에서 콜드 존으로 이동시켰습니다(Figure 10).
• 외부 형상 변경: 기존의 원뿔형(conical) 디자인(Figure 11)을 균일한 직선형 디자인(Figure 12)으로 변경했습니다. 이로써 전기 저항체와 내부 채널 간의 거리가 8.25mm에서 7mm로 줄어들어(Figure 13) 더 빠르고 균일한 가열이 가능해졌습니다.

최종적으로 2차 개선 노즐은 63일 사용 후에도 마모가 거의 발생하지 않았으며(Figure 14, Figure 15), 재료 역류와 가열 문제를 모두 해결하여 공정 안정성과 생산성을 극대화했습니다(Figure 16).

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 용탕의 온도가 질화 처리 온도에 근접하거나 초과하지 않도록 세심하게 관리해야 합니다. 연구에 따르면 질화 처리 온도보다 최소 60°C 낮은 온도를 유지해야 경화 및 이형 효과가 보존됩니다.
• 품질 관리팀: 논문의 Figure 15에서 볼 수 있듯이, 마모는 주로 초크 포인트(choke point)에서 국부적으로 발생하므로, 이 부분을 새로운 품질 검사 기준으로 삼아 노즐의 수명을 예측하고 관리할 수 있습니다.
• 설계 엔지니어: 본 연구 결과는 사출 노즐 설계 시 ▲내부 채널의 단면 변화율, ▲가열 성능에 영향을 미치는 외부 형상, ▲초크 포인트의 위치가 공구 수명과 공정 안정성에 결정적인 요소임을 시사합니다. 이는 초기 설계 단계에서 반드시 고려해야 할 중요한 사항입니다.

논문 상세 정보

[Improving the Design of Nozzles Used in Zamak High-Pressure Die-Casting Process]

1. 개요:

• 제목: Improving the Design of Nozzles Used in Zamak High-Pressure Die-Casting Process
• 저자: V. F. C. Sousa, F. J. G. Silva, L. P. Ferreira, R. D. S. G. Campilho, T. Pereira, E. Braga
• 발행 연도: 2021
• 저널/학회: FME Transactions
• 키워드: High-pressure die casting, Low-cost products, Competitiveness, Design improvement, Nozzles, Wear, Automotive industry

2. 초록:

경합금 사출은 경쟁력을 유지하기 위해 공학 분야의 높은 노력이 요구되는 활동입니다. 사용되는 온도로 인해 이 제조 공정과 관련된 부품의 마모는 매우 심하며, 지속적인 업데이트 노력이 필요합니다. 이 연구는 다이캐스팅 공정에 사용되는 사출 노즐의 과도한 마모 및 관련 전기 저항과 관련된 문제를 해결하기 위해 개발되었으며, 수명을 늘리고 자동차 산업용 zamak 저가 부품 사출 공정의 경쟁력을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 사출 노즐의 조기 마모 문제를 연구하고 해결하기 위해 실행 연구 방법이 사용되었으며, 여러 반복을 통해 노즐 및 관련 전기 저항의 개선된 설계에 도달할 수 있었습니다. 이를 통해 이 부품들의 수명을 늘리고, 공정 주변의 안전성을 향상시키며, 다른 유사한 상황에 적용할 수 있는 지식을 생성했습니다.

3. 서론:

2018년부터 자동차 산업은 추진 시스템의 정의 부족으로 인해 자동차 생산 및 판매에 정체를 겪었으며, 이는 2020년과 2021년에 겪은 팬데믹 상황으로 악화되는 경향이 있습니다. 경쟁력은 이미 많은 저자들에 의해 자동차 산업의 주요 기둥 중 하나로 지적되었으며, 진동 감소와 같은 지속적인 개선이 개발 및 구현되어 승객의 편안함과 핸들링 용이성을 직접적으로 향상시켰습니다. 또한, 브레이크 패드에 복합 재료를 사용하는 등 자동차 부품에 다른 재료를 사용하는 데에도 초점이 맞춰져 있습니다. 최근 판매 감소로 인해, 시장의 여러 플레이어들이 경쟁자에게 시장 점유율을 잃지 않도록 이 경쟁력은 더욱 증가해야 합니다. 이와 관련하여 혁신은 특히 중요하며, 폐기물 처리를 위한 새로운 장비를 설계하여 재사용 및 빠르고 안전한 처리를 가능하게 함으로써 모든 폐기물을 제거하고 모든 공정을 가능한 한 효율적으로 만드는 것이 필요합니다. Bowden 케이블은 모든 자동차의 일부인 저비용 부품으로, 자동차 승객의 문 개방, 유리 이동 또는 다른 기계적 명령의 동작을 변환합니다. Bowden 케이블의 저비용 및 부가가치는 생산과 관련된 가장 다양한 문제를 해결하기 위한 일련의 연구를 촉발시켰습니다.

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

Zamak 고압 다이캐스팅 공정은 자동차용 Bowden 케이블 끝단 부품을 제조하는 데 사용됩니다. 이 공정은 높은 정밀도와 반복성을 허용하지만, 고온 및 고압 환경으로 인해 사출 노즐과 같은 핵심 부품의 심각한 마모 문제를 야기합니다. 특히, 가스 가열에서 전기 저항 가열 방식으로 변경되면서 노즐의 수명과 신뢰성 문제가 산업 현장의 주요 과제로 부상했습니다.

이전 연구 현황:

다이캐스팅 공정의 금형 충전, 파라미터 최적화, 금형 수명에 대한 연구는 많이 이루어졌으나, 사출 노즐의 설계 및 개발에 대한 연구는 거의 전무한 실정이었습니다. 상용 솔루션은 수명에 심각한 한계를 가지고 있어, 공정 비용을 증가시키는 주요 요인이었습니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 Zamak 고압 다이캐스팅 공정에 사용되는 사출 노즐의 조기 마모 문제를 해결하는 것입니다. 이를 위해 노즐의 설계를 개선하고 관련 전기 저항을 최적화하여 부품의 수명을 연장하고, 공정의 안전성을 높이며, 궁극적으로 자동차 산업의 공정 경쟁력을 향상시키는 것을 목표로 합니다.

핵심 연구:

실행 연구 방법론을 통해 기존 노즐의 문제를 진단하고, 두 차례에 걸친 반복적인 설계를 통해 문제점을 개선했습니다. 1차 반복에서는 내부 채널의 급격한 단면 변화를 완화하고 외부 형상에 필렛을 추가하여 마모 수명을 크게 향상시켰습니다. 2차 반복에서는 초크 포인트 위치를 변경하고 외부 형상을 직선형으로 단순화하여 재료 역류 문제를 해결하고 가열 효율을 최적화했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 산업 현장의 필요에 기반한 '실행 연구(Action-Research)' 방법론을 채택했습니다. 이 방법론은 '실행을 통한 학습' 원칙에 따라, 진단, 실행 계획, 실행, 평가, 모니터링/결과의 5단계 주기를 반복하여 점진적으로 해결책을 도출하는 방식으로 설계되었습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 마모된 노즐은 와이어 방전 가공(WEDM)을 사용하여 절단한 후, 단면의 내부 채널 마모 상태를 시각적으로 분석했습니다.
• 노즐의 초기 및 최종 경도를 측정하여 열처리의 효과와 공정 중 재료 특성 변화를 평가했습니다.
• 실제 생산 라인에 개선된 노즐을 적용하여 장기간 사용 후의 성능 데이터를 수집하고 분석했습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 자동차 부품 생산에 사용되는 Zamak 고압 다이캐스팅 공정의 사출 노즐에 초점을 맞춥니다. 연구 범위는 노즐의 내부 채널 및 외부 형상 설계 개선, 재료 및 열처리 방식의 최적화, 그리고 이와 관련된 전기 저항 가열 시스템의 효율성 향상을 포함합니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 기존 노즐의 급격한 내부 채널 단면 변화(5mm → 2mm)가 심각한 마모의 주된 원인임을 확인했습니다.
• 1차 개선 설계(완만한 단면 변화 및 외부 필렛 추가)를 통해 노즐의 사용 수명이 기존 11-17일에서 50일 이상으로 크게 증가했습니다.
• 2차 개선 설계(초크 포인트 위치 변경 및 직선형 외부 형상)를 통해 재료 역류 문제를 해결하고 가열 시간을 단축했으며, 63일 사용 후에도 마모가 거의 발생하지 않는 최종 설계를 완성했습니다.
• 용탕 온도를 질화 처리 온도보다 최소 60°C 낮게 유지하는 것이 노즐의 경도와 수명을 유지하는 데 결정적임을 밝혔습니다.

그림 이름 목록:

• Figure 1. Different steps of the Action-Research cycle used in this work [31].
• Figure 2. External aspect of some nozzles removed from the high-pressure die-casting equipment after severe damage: (a) exhibiting a hole; (b) or even being broken
• Figure 3. Original zamak injection nozzle inner channel design.
• Figure 4. Sample 1 - Wear sustained by injection nozzles (original design) after 11 days of use, at an injection rate of 500 injections per hour.
• Figure 5. Sample 2 - Wear sustained by an injection nozzle (original design) after 17 days of use, at an injection rate of 500 injections per hour.
• Figure 6. Cross-sectional view (a) and 3D model (b) of the original nozzle, with the abrupt external change in section highlighted in red
• Figure 7. Cross-sectional view of the improved nozzle's inner channel, with the choke point (CP) identified (a) and 3D model of the filleted area, highlighting this area with a red square(b)
• Figure 8. Sample 1 - Wear sustained by injection nozzle (first iteration) after 59 days of use, at an injection rate of 500 injections per hour.
• Figure 9. Sample 2 - Wear sustained by injection nozzle (first iteration) after 47 days of use, at an injection rate of 500 injections per hour.
• Figure 10. Position of the injection nozzle CP (choke point) at two different locations, first iteration nozzle (hot zone) (a) and second iteration nozzle (cold zone) (b)
• Figure 11. First iteration design of the injection nozzle (outer design)
• Figure 12. Second iteration design of the injection nozzle (outer design)
• Figure 13. First iteration nozzle with assembled electrical resistance (a) Second iteration nozzle with assembled electrical resistance (b)
• Figure 14. Sample 1 - Wear sustained by injection nozzle (first iteration) after 63 days of use, at an injection rate of 500 injections per hour.
• Figure 15. Wear sustained at the choke point by a second iteration injection nozzle (after intense use)
• Figure 16. Chosen design for the injection nozzle (second iteration).

7. 결론:

본 연구에서는 실행 연구 방법론을 성공적으로 적용하여 Zamak 다이캐스팅 공정에 사용되는 사출 노즐의 설계를 개선했습니다. 두 차례의 반복 설계를 통해 초기 노즐이 가졌던 심각한 마모, 느리고 불균일한 가열, 재료 역류 문제를 모두 해결했습니다. 최종적으로 개발된 새로운 노즐은 기존 노즐 대비 마모가 현저히 적고, 가열 속도가 빠르며, 공정 전반의 안전성을 향상시키는 등 모든 면에서 상당한 개선을 보였습니다. 이 연구는 ▲내부 채널 단면 변화, ▲외부 디자인, ▲전기 저항 위치, ▲초크 포인트 위치가 노즐 개발에 있어 가장 중요한 요소임을 강조합니다. 또한, 순수 과학적 접근이 어려운 실제 산업 현장의 문제 해결에 실행 연구 방법론이 매우 유용함을 보여줍니다.

8. 참고문헌:

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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 왜 전통적인 과학적 접근법 대신 '실행 연구(Action-Research)' 방법론을 선택했나요?

A1: 이 문제에 대해 사전에 정립된 이론이 없었기 때문입니다. 실행 연구 방법론은 '실행을 통한 학습'을 가능하게 하여, 실제 산업 현장에서 발생하는 복잡한 문제를 여러 번의 반복과 개선을 통해 해결해 나갈 수 있게 합니다. 이는 이론적 접근이 어려운 공정 개선 문제에 매우 효과적인 접근법입니다.

Q2: 기존 노즐 설계의 구체적인 파손 메커니즘은 무엇이었나요?

A2: 두 가지 주요 문제가 있었습니다. 첫째, Figure 3에서 보듯이 내부 채널 직경이 5mm에서 2mm로 급격히 줄어들면서 용탕 흐름에 와류가 발생했고, 이로 인해 단면 변화 직전 지점에서 심각한 마모가 발생했습니다(Figure 4, 5). 둘째, Figure 6에서처럼 외부 형상의 단면이 급격하게 변하는 부분에서 응력 집중이 발생하여 노즐이 파손되는 경우도 있었습니다(Figure 2).

Q3: 1차 개선 설계로 마모 저항성이 크게 향상되었는데, 왜 2차 개선이 필요했나요?

A3: 1차 설계는 마모 수명을 크게 늘렸지만, 두 가지 문제가 여전히 남아있었습니다. 첫째는 노즐의 차가운 부분(cold zone)에서 용융된 Zamak이 역류하는 현상이 있었고, 둘째는 노즐의 가열 속도가 느리고 불균일하다는 문제였습니다. 이러한 공정 불안정성을 해결하기 위해 2차 개선이 필요했습니다.

Q4: 노즐의 외부 형상을 원뿔형에서 직선형으로 변경한 것이 어떻게 가열 성능을 개선했나요?

A4: Figure 13에서 볼 수 있듯이, 외부 형상을 직선형으로 바꾸면서 가열을 위한 전기 저항체와 내부 채널 사이의 거리가 기존 8.25mm에서 7mm로 줄었습니다. 이 미세한 거리 단축과 균일한 형상은 열 전달을 더 빠르고 균일하게 만들어 노즐의 가열 효율을 크게 향상시켰습니다.

Q5: 노즐의 수명을 유지하기 위해 가장 중요한 온도 관리 요소는 무엇인가요?

A5: 용융된 Zamak의 온도를 질화(nitriding) 처리 공정 온도보다 최소 60°C 이상 낮게 유지하는 것이 매우 중요합니다. 만약 용탕 온도가 이보다 높아지면, 질화 처리를 통해 얻은 표면 경화 효과와 이형성(anti-adhesion)이 사라져 노즐의 마모가 급격히 빨라지고 수명이 단축됩니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

본 연구는 Zamak 다이캐스팅 공정에서 사출 노즐의 조기 마모라는 고질적인 문제를 해결하기 위해 Zamak 다이캐스팅 노즐 설계를 체계적으로 개선한 과정을 보여줍니다. 내부 채널의 흐름을 최적화하고 외부 형상을 변경하여 가열 효율을 높인 최종 설계는 공구 수명을 극적으로 연장하고 공정 안정성을 확보하는 핵심 돌파구를 마련했습니다. 이는 R&D 및 운영팀에게 설계 변경이 생산성과 품질에 미치는 영향에 대한 실질적인 통찰력을 제공합니다.

"CASTMAN은 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 백서에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오."

저작권 정보

• 이 콘텐츠는 "[V. F. C. Sousa 외 저자]"의 논문 "[Improving the Design of Nozzles Used in Zamak High-Pressure Die-Casting Process]"를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
• 출처: [doi:10.5937/fme2104005S]

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